苹果采摘机器人机械手及控制系统设计

孙旖彤，潘肖楠，张 俊，李明明，雷达荣

（1.陇东学院，甘肃 庆阳 745000；2.长庆油田分公司第十一采油厂，甘肃 庆阳 745000；3.庆阳质量检验检测研究院，甘肃 庆阳 745000）

我国苹果的生产量巨大，一年的总产量大概有3 000 万t。在整个苹果产业生产中，采摘过程占全部所需劳动力的三分之一至二分之一。但是，目前大部分的苹果采用的是人工采摘，采摘的效率非常低，而且耗费的劳动力比较大，在采摘的过程中还会遇到一些不可预知的危险。因此机械自动化采摘尤为重要。

针对市面上一些辅助机器易损伤、效率低的问题，本文研究的苹果采摘机械手是一种自动化的水果采摘机械手，通过控制系统和机械结构的自动操作就可以完成采摘苹果的工作，这样大大提高了劳动效率，对促成苹果产业的发展具有重要的运用价值。

1 机械手结构设计及相关计算

1.1 机械手爪对苹果摘取的原理

苹果采摘机器人经过多年的发展，其驱动部分主要有液压、气压、电机驱动，而手指结构设计分为两指和多指。本文中研究的机械手爪采取三指，利用电机进行驱动。

通过分析采摘机械手装置的机械原理，本文采取电机控制刚性连杆带动其运动的连杆驱动型手爪，其装置主要由电机、丝杠、轴承等零件组成。

电机采用丝杠步进电机，丝杠与螺母结合，丝杠作为主动体，当丝杠转动时，螺母就会随之转换为直线移动，螺母连接着支持连杆使其运动，最后带动机械手抓取苹果。

当机械臂到达苹果的位置时，发出信号给控制系统，使其驱动步进电机进行正转，带动螺杆转动使螺母上升，同时带动连杆也上升，然后机械手握紧，抓住苹果，而当机械臂到达放置苹果的位置时，单片机驱动步进电机反转，螺母下降，同时也伴随着机械手张开，放置苹果。而在机械手张开和握紧期间，通过螺杆的自锁能力使机械手关节不会受苹果重力而张开，装配图如图1 所示。

图1 装配图

1.2 手指的结构设计

手指部分包括近端关节和末端关节，设计执行机构时要考虑采摘过程中是否会对果实造成伤害，为了尽可能降低对果实造成的伤害，决定在末端关节的内侧装上较为柔软的尼龙材料。

近端关节材质为铝合金；末端关节材质为尼龙材料。

手指部分包括近端关节、末端关节，为了使机械结构易于制作，因此采用曲柄滑块结构，连杆简图如图2所示。

图2 连杆简图

1.2.1 运动分析

1）寻找瞬心P13。对于直接连接的杆件，其瞬心可直接判断出P12P34P23瞬心。P12是构件1、2 的瞬心，P14是构件1、4 的瞬心，P34是构件3、4 的瞬心。

对于两构件未直接相连的，其瞬心利用三心定理进行判断，延长1、2 杆和垂直于杆1 的点，可判断出瞬心P13。

2）求角速度与螺杆速度关系

作图分析，可得出以下公式

式中：IP12P34为P12到P34的距离，W3为P13的角速度。又因为P13是构件1、3 的瞬心，根据式（1）和式（2）可得。

1.3 手指的尺寸确定

机械手第一个关节末的位置如图3 所示，在坐标系O-xyz 中 为 点A（0，y1，z1），O'O=l1，sin120°=0.78，cos120°=-0.5。

图3 第一个手指位置图

对于O'-x'yz'坐标系，A 点对应的坐标为A'（0，l1+y1，z1）

利用H 变换矩阵，分别沿z 轴旋转120°为另外2个机械手手指的坐标

因为空间坐标中的O'A，O'B，O'C 大小相等，且为绕z 轴旋转120°所得，所以3 点连线为一个正三角形，如图4 所示。

图4 苹果横切面简图

由公式

可求得手指末端关节长度

苹果高度一般为50~110 mm，直径在50~110 mm，为机械手指尺寸提供依据。

由R≥55，z1≥55，已知l1=40，z1选取为60，OA选取为80。

1.4 受力分析

机械手夹持苹果重量为100~400 g，对其受力分析如图5 所示。

图5 受力分析图

机械手另外2 个第二关节的受力处根据三力平衡汇交定理，可合成为力F2与F1，其汇交于一点，Fa为螺母向上的推力，构成三力平衡，可得公式

三指对苹果的力可表示为FAFBFC，利用三力平衡汇交定理，FAFB的合力FN与FC平衡，所以根据公式2FNμ≥mgk1，可求得

由尼龙材料的摩擦系数μ=0.15~0.25，取μ=0.2，安全系数k1取1.5，a=30°；苹果重量选择0.4 kg 进行计算；求得FN≥14.7 N，因此选择夹持力为15 N，求得驱动力Fa≈47.3 N。

1.5 手掌的结构设计及相关计算

手掌处主要是螺杆的设计及计算，本文中采用滑动螺旋传动，其结构简单，成本低廉，并且相较于滚动螺旋传动，滑动螺旋传动有自锁能力；因此本部分主要进行滑动螺旋传动中螺杆螺母尺寸的选择、强度校核、自锁性验算以及稳定性校核，其螺杆示意如图6 所示。

图6 螺杆图

1.5.1 丝杠轴向载荷力的计算

螺杆上方重量为m=2 kg。

轴向载荷公式如下

由式（8）进行计算得F≈67 N，因此选取轴向载荷力F=70 N，最为合适。

1.5.2 选材以及许用应力计算

螺杆螺母都采用45 号钢，选择梯形螺纹，其牙形角为30°，因此由《机械设计手册》，可取σp为360 MPa，由

可取许用拉压力σp=90 MPa。

因为机械手上升运动为低速运动，因此查《机械设计手册》得螺杆对螺母的许用压强[p]=7.5~13 MPa，取值为10 MPa。

1.5.3 螺纹尺寸选择及校验

螺纹尺寸取值，见表1。

表1 螺纹尺寸 mm

由耐磨性校验螺纹中径是否合适：

当螺纹为整体式时，螺纹升角系数（ψ）取1.2~2.5，取ψ=1.5。

依据《机械设计手册》梯形螺纹，取ξ=0.8，F=70 N。

由公式可计算出螺纹中径

所以螺纹中径选择为9 mm，上表尺寸数据合适。

因此，基本牙型高度

螺母高度

旋合圈数

选取中等精度，螺旋副标记为Tr10×2—7H。

1.5.4 自锁性校验

导程P=2 mm，查《机械设计手册》表12-1-4，可得螺纹升角

查《机械设计手册》表12-1-7，可得f=0.15~0.17，取值0.17，得

因为λ＜ρ，所以自锁可靠。

1.5.5 驱动转矩计算

由公式

计算出驱动转矩T=70.277（N·mm）。

1.6 手腕的结构设计及机械手材料选取

手腕主要结构是安装电机，以及对接机械手臂，对其材料有一定要求，而果农采摘水果时，还可能会遇到恶劣天气，因此材料需要一定强度和耐腐蚀性。

铝合金材料质量轻，强度够，耐腐蚀且价格低廉，所以材料采用铝合金。

2 控制系统硬件设计

2.1 控制系统硬件组成

硬件是由主机、接口电路及外部设备组成。其相应的示意图如图7 所示。

图7 控制系统硬件示意图

机械手及其末端执行器在运动时需要各种传感器进行辅助，但因个人知识水平有限，因此本文只对其中的单片机、力传感器、电机部分进行相关选用及设计。

2.2 力传感器

2.2.1 RP-C 电阻式压敏传感器

人手摘取苹果时，是通过皮肤和眼睛把消息传递给大脑，实现抓取；与此相同，机械手实现抓取动作，需要传感器把信号传递给单片机，随后单片机控制电机进行转动，带动执行装置完成抓取苹果功能。

本文选用的压力传感器是RP-C10-ST 薄膜压力传感器，这是一种直径为10 mm 的圆形柔性传感器，由综合机械性能优异的聚酯薄膜，高导电材料和纳米级压力敏感材料组成，由曲线图查表获得Rx和F 的关系式

因为苹果压力小于20 N 时，表皮没有损伤，但如果超过20 N，苹果表皮虽然没有直接损坏，但内部出现组织损坏。为了使苹果采摘时不被损坏，则手指的压力不应该超过20 N。

依据曲线可以看出，随着压力的增大，电阻不断变小，因此传感器输出的电阻应该大于26.6 Ω。

2.2.2 压力传感器应用电路

压力传感器输入信号，单片机要检测到该信号时，需要相应电路进行该信号的放大与转化；应用电路主要使用电阻分压器，然后把分压的电压输入电压比较器中，然后通过设计使其输出高低电平，最后连接相关单片机串口，使单片机进行步进电机启停的控制。

1）电阻分压器。电源电压为5 V，传感器可以等效为一个可变电阻，其串联一个R1=20 Ω 的电阻，整个电路起到分压的作用。

输出电流

分压电压

由上公式可推导出

其曲线图如图8 所示。

图8 电压/力关系图

2）电压比较器。UP处接入VN口，VE接一个比较的电压，当VN＞VE时，比较器不导通，输入5 V 电压作为高电压；反之，当VN＜VE时，比较器导通，输出低电压。

苹果抓取的力一般不会超过15 N，其为了采摘苹果时不损坏果皮，按照曲线图，电压不应该大于2.1 V，但为了单片机在手抓取时发出信号，使电机停止转动，应该使VE接一个1.9 V 的电压。

当UP电压超过1.9 V 时，电压比较器输出高电压，单片机接口检测出数值为“1”，电机停止转动，螺母自锁使机械手抓取的苹果不会掉落。

2.3 单片机选用

在本次苹果采摘机械手的控制系统中，选择AT89C51 单片机，其通过IO 口输出的具有时序的方波作为对机械手控制动作的信号，这一方波信号会通过芯片LN298，进行信号放大，然后驱动步进电机以此来实现机械手的摘取动作。

AT89C51 单片机与MCS-51 单片机兼容，价格便宜，IO 口的操作简单，指令简单，极其适合用于作为本文控制部分的设计。

2.4 电机选用

本次设计的苹果采摘机械手的驱动部件是由电机实现的，因此电机的选择是整个结构设计和控制系统设计的关键。常见的机器人的运动形式在于对步进电机的控制和驱动，为了设计的方便，此次设计选择电机为四相的步进电机（内阻33 Ω，步进角度1.8°，额定电压12 V）。

想要驱动电机，必须需要响应的驱动电路，因此使用LN298 芯片，不仅可以充分发挥了步进电机的功能，能稳定地驱动步进电机，而且从经济考虑，价格不高，其可以直接用单片机模拟出时序信号，控制不复杂。

本文步进电机步距角为1.8°，螺杆导程为2 mm，所以单片机需要发出200 个脉冲，螺杆螺母将转动一周，其简单的系统结构图如图9 所示。

图9 步进电机控制系统结构图

如图10 所示，单片机对EN A、EN B 口发送方波脉冲信号，接P3.4、P3.5 引脚，IN1~IN4 接AT89C51 单片机P0.0~P0.3 口；单片机接受到力传感器和位置信号后，通过输出脉冲，然后经过LN298 芯片信号放大，实现电机正反转以及启停。

图10 电机接线图

3 仿真分析

3.1 三维装配

在机械手装配过程中与其他装配过程大致相同，在装配时，需要选择合理的连接方式，使后期仿真顺利进行，因此选用销钉、滑块等方式进行装配，其装配图先进行手指部分，然后进行总装配。

3.2 仿真过程

为了使设计的产品能够合理地进行运动以及实现需要的功能，在设计中往往会进行仿真分析，本文利用creo4.0 进行仿真分析，其仿真分析过程如下。①打开已经装配好的机械手爪，点击“应用程序”，运行“机构”命令。②点击电动机，为机械手添加驱动装置。③进行机构分析，点击运行。④点击“回放”，然后打开“动画”界面。⑤打开“动画”界面后，选择播放查看仿真是否合适，随后点击“捕获”，选择保存路径，点击保存的视频类型，随后点击确定，最后就能够获得仿真动画视频。⑥曲线图绘制。点击测量，进行新建测量定义，输入需要测量的角速度连接轴，点击图形工具，曲线图如图11 所示。

图11 角速度图

4 结束语

苹果人工采摘作业季节性强、人工成本高、劳动强度大，是苹果生产链中最耗时、最费力的一个环节。因此，研制一款苹果采摘机器人具有重要的经济意义，能够有效降低工人劳动强度，提高生成效率，保证苹果及时采收。通过对苹果采摘机器人手指和手掌进行结构设计，尺寸计算和受力分析，完成了苹果采摘机械手的整体方案，并进行了控制系统的设计和简单的仿真，验证了该机械手的设计合理性，零件的结构要素符合预期的设计目标，为下一步的步态规划和样机研制奠定了基础。